CN103915845A - 一种基于lcl滤波的多重化有源电力滤波器 - Google Patents

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丁祖军
刘保连
张宇林
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Abstract

本发明涉及了一种基于LCL滤波的多重化有源电力滤波器,包括二重化的三相四桥臂变流器、三相LCL输出滤波器和并联电容，所述三相LCL输出滤波器的输出端与三相电网相连，三相LCL输出滤波器的输入端与三相四桥臂变流器的桥臂端口连接，所述三相四桥变流器零序桥臂通过滤波电感和三相电网零线相连接，三相四桥臂变流器的各组变流器的直流母线段分别与电容器两端连接。通过采用该多重化有源电力滤波器，从而解决了三相四线制系统中的谐波和三相不平衡的问题。

Description

一种基于LCL滤波的多重化有源电力滤波器
技术领域
本发明涉及电力系统谐波抑制技术领域，尤其涉及了一种基于LCL滤波的多重化有源电力滤波器。
背景技术
近年来，随着电力电子技术的飞速发展，特别是功率半导体器件和电力电子变流技术的发展，使得各种电力电子装置产品层出不穷，在各行各业得到了广泛的应用。但是电力电子装置都是非线性负载，在其运行中给电力系统供电质量同样也带来了很大的危害，如谐波、电磁辐射等，不仅对公用电网造成污染，也恶化了其它用电设备的应用环境，尤其是近年来高精尖用电设备的大力增长，电能质量恶化带来的危害已经到了不得不解决的地步。
对于谐波抑制，目前最常用的补偿装置是无源滤波器，即LC滤波器。LC滤波器本质上是一种频域处理方法，将非正弦周期电流分解成傅里叶级数，对某些谐波进行吸收以达到谐波抑制的目的。这种补偿装置因其结构简单，运行维护方便，初期投入成本少，即可抑制谐波又可补偿无功而一直被广泛应用，但是LC滤波器参数的设计是针对谐波的频率，智能滤除特定次谐波，而且易于电网阻抗发生串联谐振，因此，其诟病也是不可忽略。
迄今为止，APF发展出来多种分类，根据与电网连接的方式一般分为串联型APF和并联型APF，其中以并联型APF的研究及其应用最为广泛。随着负载功率的增大，相应的也需要APF的容量增大，对于大容量APF，若采用常规的主电路拓扑结构，则要求电力电子器件也需相应的容量等级。目前，电力电子器件随着容量等级的增大而容许的器件开关频率比较低，这会直接影响APF的补偿效果。因此，在将APF应用在大功率的谐波源补偿时，就面临着器件开关频率和功率等级之间的矛盾。
为解决大容量APF所使用的开关器件在容量和开关频率之间的矛盾，一般有以下几种解决方法：1）采用多电平级联的主电路结构；2）采用多重化主电路结构；3）采用多个独立的小容量APF并联使用；4）采用APF和无源LC滤波器组成的混合有源滤波器。
并联型APF交流侧输出电感式连接电网和APF的桥梁，直接影响补偿电流的动态性能。若电感太大，补偿电流变化慢，APF的动态性能不好；过电感太小，补偿电流变化快，APF的动态性能高，但对功率器件的开关频率要求较高，且补偿电流中含有大量的高次谐波。
综上所述，针对三相四线制系统中的谐波和三相不平衡的问题，利用APF对其进行治理和补偿有着重要意义。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的就在于提供一种基于LCL滤波的多重化有源电力滤波器，从而解决了大容量APF所使用的开关器件在容量和开关频率之间的矛盾。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种基于LCL滤波的多重化有源电力滤波器,应用于三相电网，包括二重化的三相四桥臂变流器、三相LCL输出滤波器和并联电容，所述三相LCL输出滤波器的输出端与三相电网相连，三相LCL输出滤波器的输入端与三相四桥臂变流器的桥臂端口连接，所述三相四桥变流器零序桥臂通过滤波电感和三相电网零线相连接，三相四桥臂变流器的各组变流器的直流母线段分别与电容器两端连接；还包括谐波电流检测系统和补偿电流跟踪控制系统，所述谐波电流检测系统由电压和电流传感器组成；所述补偿电流跟踪控制系统由数字信号处理器TMS320F28335、隔离驱动、开关电源组成。
作为一种优选方案，所述谐波电流检测系统算法采用基于改进瞬时无功率理论i p-i q算法的特定次谐波电流检测算法，所述补偿电流跟踪控制系统算法采用基于电压环和电流环的双闭环控制算法和载波移相PWM调制方法。
作为一种优选方案，所述双闭环控制算法为变流器1和2的输出电流差值均分后，再通过瞬时环流电流负反馈来控制各组变流器的输出电流，作为外环控制的瞬时比较变量来调节PWM的输出，有效地抑制了环流。
作为一种优选方案，所述载波移相PWM调质方法是将谐波电流指令信号与各变流器经过瞬时电流负反馈修正后的变流器反馈电流的比较差值经过PI调节后，再与两个相位差180o的三角载波比较，得到两组相位相反的驱动信号，通过优化控制最小来提高三角载波比较控制的精确性。
 
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1、主电路采用二重化变流器，系统等效开关频率为功率器件开关频率的二倍；
2、采用LCL输出滤波器，不仅能有效地滤除变流器的高频开关纹波，而且相比较于传统的L型滤波器大大减少了电感量，提高了系统的动态 ，节约了投入成本；
3、谐波检测采用特定次谐波电流检测算法，能分别检测出三相四线制系统中的指定次不对称谐波电流的正、负、零序分量，提高了谐波电流检车的准确性和灵活性；
4、补偿电流跟踪控制电路采用瞬时电流负反馈修正的双闭环控制策略，不仅提高了补偿电流跟踪控制的实时性和快速性，而且解决了多重化变流器直接的环流抑制问题。
附图说明
图1为三相四线制并联型多重化APF及三相四桥臂变流器拓扑结构；
图2为APF数学模型结构图；
图3为三角载波移相PWM调制框图；
图4为瞬时环流电流负反馈修正的双闭环控制框图；
图5为LCL滤波器拓扑结构；
图6为补偿前后电网电流波形；
图7为补偿前后中线电流波形；
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行进一步说明。
实施例：图1为本发明的三相四线制并联型多重化APF拓扑结构及各并联变流器的内部拓扑结构。为了便于理解，图2给出了本发明APF系统数学模型结构图。定义各个桥臂的开关函数为：
且变流器输出电压为：
可以得到变流器直流侧电压和各桥臂补偿电流方程为：
谐波检测系统采用特定次谐波电流检测算法，在基于瞬时无功功率理论的i p-i q检测法基础上，增加了零序电流的检测。
基于LCL滤波的多重化主电路双闭环控制策略，该控制策略在提高器件等效开关频率的同时，有效地抑制了多重化主电路变流器之间的环流问题。通过图3三角载波移相PWM调制框图说明了采用三角载波移相PWM技术，使得多重化变流器能够在较低的器件开关频率下获得较高的等效开关频率，有效抑制和消除高频纹波。三角载波PWM控制，它是将谐波电流指令信号与各变流器经过瞬时电流负反馈修正后的变流器反馈电流的比较差值经过PI调节后，再与两个相位差180o的三角载波比较，得到两组相位相反的驱动信号，通过优化控制最小来提高三角载波比较控制的精确性。
由于变流器之间不可避免的会出现输出电压误差形成环流，为了抑制环流，通过图4瞬时电流负反馈修正的双闭环控制框图说明了基于LCL滤波的多重化主电路双闭环控制策略。变流器1和2的输出电流差值均分后，再通过瞬时环流电流负反馈来控制各组变流器的输出电流，作为外环控制的瞬时比较变量来调节PWM的输出，有效地抑制了环流。
图5为LCL滤波器的拓扑结构。L1的功能是将变流器输出的电压转化为补偿电流并抑制高频开关纹波电流，而且纹波电流主要取决于L1的大小。L2和C的加入将一阶滤波电路变为三阶滤波电路，在改善滤波器性能的同时，也给高频开关谐波电流分量提供了一个低阻通路，避免注入电网。根据电路支路分流关系，Xc应小于XL2，这样才能使高频电流分量尽可能的从电容支路流走。RC为阻尼电阻，用来减小LCL滤波器的零阻抗谐振点给系统带来的危害。
最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制性技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种基于LCL滤波的多重化有源电力滤波器,应用于三相电网，其特征在于：所述有源电力滤波器包括二重化的三相四桥臂变流器、三相LCL输出滤波器和并联电容，所述三相LCL输出滤波器的输出端与三相电网相连，三相LCL输出滤波器的输入端与三相四桥臂变流器的桥臂端口连接，所述三相四桥变流器零序桥臂通过滤波电感和三相电网零线相连接，三相四桥臂变流器的各组变流器的直流母线段分别与电容器两端连接；还包括谐波电流检测系统和补偿电流跟踪控制系统，所述谐波电流检测系统由电压和电流传感器组成；所述补偿电流跟踪控制系统由数字信号处理器TMS320F28335、隔离驱动、开关电源组成。
2.根据权利要求1所述的一种基于LCL滤波的多重化有源电力滤波器,其特征在于：所述谐波电流检测系统算法采用基于改进瞬时无功率理论i p-i q算法的特定次谐波电流检测算法，所述补偿电流跟踪控制系统算法采用基于电压环和电流环的双闭环控制算法和载波移相PWM调制方法。
3.根据权利要求2所述的一种基于LCL滤波的多重化有源电力滤波器,其特征在于：所述双闭环控制算法为变流器1和2的输出电流差值均分后，再通过瞬时环流电流负反馈来控制各组变流器的输出电流，作为外环控制的瞬时比较变量来调节PWM的输出，有效地抑制了环流。
4.根据权利要求2所述的一种基于LCL滤波的多重化有源电力滤波器,其特征在于：所述载波移相PWM调质方法是将谐波电流指令信号与各变流器经过瞬时电流负反馈修正后的变流器反馈电流的比较差值经过PI调节后，再与两个相位差180o的三角载波比较，得到两组相位相反的驱动信号，通过优化控制最小来提高三角载波比较控制的精确性。
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